علوم و فناوری کامپوزیت
سال:1395 | دوره:3 | شماره:1 |تعداد مقالات:10

در این مقاله، اثر نانولوله های کربنی بر مقدار مود اول نرخ رهایی انرژی کرنشی در شروع رشد ترک در نانوکامپوزیت های پایه اپوکسی به صورت تحلیلی مطالعه شد. در این مدل تحلیلی، اثر وجود پدیده جدایش نانولوله های کربنی از رزین پیرامون آن در ناحیه نزدیک به نوک ترک به عنوان یکی از عوامل افزایش نرخ رهایی انرژی کرنشی در نانوکامپوزیت نسبت به رزین خالص با استفاده از یک جزء حجمی معرف مطالعه شد. جزء معرف حجمی مفروض برای نانولوله های کربنی و رزین پیرامون آن با وجود فاز میانی در نظر گرفته شد. برای تخمین خواص مکانیکی فازمیانی، ضخامت آن از مقادیر گزارش شده در مراجع استفاده شد. در نهایت مدلی برای افزایش نرخ رهایی انرژی کرنشی نانوکامپوزیت، بر اساس خواص مکانیکی و پارامترهای هندسی نانولوله های کربنی و رزین خالص معرفی گردید. لازم بذکر است که احتمال افزایش نرخ رهایی انرژی کرنشی نانوکامپوزیت نسبت به پلیمر خالص، با استفاده از ارتباط بین مقیاس های ماکرو، میکرو و نانو مورد بررسی قرار گرفت. برای اعتبارسنجی مدل تحلیلی ارائه شده، نتایج بدست آمده از روابط تحلیلی با نتایج مطالعات تجربی سایر محققین مقایسه شد. نتایج نشان دادند که مدل ارائه شده با خطای قابل قبولی، توانایی پیش بینی مقدار مود اول نرخ رهایی انرژی کرنشی نانوکامپوزیت های پایه اپوکسی تقویت شده با نانولوله های کربنی تک و چندجداره را داراست.

سازه های مشبک کامپوزیتی به علت دارابودن خواص منحصربه فردی همانند استحکام و مدول ویژه بالا، ظرفیت تحمل بار بسیار بالا و همچنین میزان جذب انرژی فوق العاده، کاربردهای گسترده ای را در صنایع صنایع هوا و فضا و همچنین خودروسازی پیدا کرده اند. این سازه ها در حین سرویس شرایط مختلف بارگذاری را تجربه می کنند. در تحقیق حاضر، پنل های مشبک کامپوزیتی با هندسه ایزوگرید و تقویت شده با نانوذرات سیلیکا تحت بارگذاری عرضی مطالعه شده اند. در گام اول، سطح نانوذرات سیلیکا به وسیله عامل کوپلینگ تری گلیسید اکسی پروپیل تری متوکسی سیلان(3-GPTS)  اصلاح شد و در ادامه تاثیر افزودن درصدهای مختلف نانوسیلیکا در زمینه (صفر، 1، 3 و 5 درصد وزنی) بر رفتار خمش سه نقطه ای پنل های مشبک کامپوزیتی اپوکسی- الیاف شیشه نوع E مورد بررسی قرار گرفت. اصلاح سطحی نانوذرات سیلیکا و برهمکنش آن ها با عامل کوپلینگ 3-GPTS توسط طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR) مورد تایید قرار گرفت. نتایج این تحقیق نشان داد که افزودن نانوذرات سیلیکای اصلاح سطحی شده رفتار خمش سه نقطه ای پنل های مشبک کامپوزیتی الیافی را تحت تاثیر قرار می دهد. بیشترین میزان بهبود در مقادیر بار حداکثر خمشی و جذب انرژی ویژه پنل مشبک کامپوزیتی با افزودن 3 درصد وزنی نانوسیلیکای اصلاح سطحی شده به ترتیب با 14 درصد و 25 درصد افزایش مشاهده شد. همچنین در این کامپوزیت ها کسر قابل توجهی از جذب انرژی سازه بعد از نقطه حداکثر بار حاصل شد. علاوه بر این، سفتی سازه با افزودن نانوذرات سیلیکا افزایش یافت. در مجموع، تحقیق حاضر موید آن است که افزودن نانوذرات سیلیکای اصلاح سطحی شده به عنوان جزء سوم در سازه های مشبک کامپوزیتی می تواند به بهبود خواص مکانیکی آن ها تحت بارگذاری عرضی کمک شایانی کند.

یکی از موارد مهم درباره رفتار کامپوزیت ها در شرایط بارگذاری مختلف، پیدایش و رشد مودهای خرابی متنوعی است که دارای تاثیر بسزایی بر نحوه عملکرد آن ها هستند. مود خرابی مربوط به جدایش اتصال بین الیاف و ماتریس را می توان جزو اولین موارد در پیدایش خرابی در کامپوزیت های مختلف دانست که متعاقب آن و یا به صورت هم زمان، مودهای خرابی دیگری هم چون ترک های ماتریسی نیز به وجود می آیند. در مقاله حاضر با استفاده از مدل ناحیه چسبنده و المان محدود تعمیم یافته و با اعمال بارگذاری عرضی بر المان های حجمی نماینده در فاز مایکرومکانیک، اثرات پیدایش و رشد خرابی هایی هم چون جدایش بین الیاف و ماتریس، و ترک های ماتریسی مطالعه شده است. بدین منظور، در ابتدا رفتار ناحیه چسبنده بررسی شده و با شبیه سازی نتایج مربوط به جدایش الیاف از ماتریس در مقالات گذشته، روش طراحی صحت سنجی شده است. سپس اثرات مدل ناحیه چسنده در المان های حجمی مختلف مطالعه و نتایج آن ها با یکدیگر مقایسه می شوند. در ادامه با وارد کردن اثرات مربوط به پیدایش و رشد ترک ماتریسی با استفاده از روش المان محدود تعمیم یافته، اثرات ناشی از خرابی ناحیه چسبنده و ترک های ماتریسی به صورت همزمان با استفاده از روش المان محدود و نرم افزار آباکوس مطالعه می شوند.

پیش بینی آغشتگی مذاب و الیاف تقویت کننده یکی از چالش های پالتروژن کامپوزیت گرمانرم ها می باشد. در این مقاله، دو مدل آغشتگی در فرآیند پالتروژن کامپوزیت گرمانرم توصیف شده است. ابتدا یک مدل ساده بر پایه رابطه دارسی ارایه شده است. در این مدل ابتدا بدون در نظر گرفتن جریان میکروسکوپیک، سرعت جریان ماکروسکوپیک محاسبه شده و فشار مذاب گرمانرم در جهت محور قالب در هر موقعیت طولی قالب محاسبه می شود. سپس به کمک محاسبه فشار در جریان ماکروسکوپیک طولی و ارتباط رابطه دارسی در دو جهت شعاعی میکروسکوپیک و طولی ماکروسکوپیک، رابطه ساده ای برای بدست آوردن سرعت جریان میکروسکوپیک شعاعی و شعاع خشک توده الیاف ارایه شده است که تخمینی از درجه آغشتگی را نشان می دهد. در بخش دوم، یک مدل آغشتگی توسعه یافته ارایه شده است که جریان میکروسکوپیک و تغییرات شعاع توده الیاف در طول قالب در آن در نظر گرفته شده است. معادله های دارسی در دو جهت جریان میکروسکوپیک شعاعی و جریان ماکروسکوپیک طولی نوشته شده است. با ترکیب رابطه ها، معادله کاملی با در نظر گرفتن دو جریان میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک ارایه شده است. این معادله، گرادیان فشار در راستای طولی و شعاعی را به شعاع توده الیاف و شعاع منطقه خشک توده الیاف و ثابت های دیگر ارتباط می دهد. یک الگوریتم حل تکرار شونده برای حل مدل توسعه یافته ارایه شده است و هر دو مدل با در نظر گرفتن ورودی های مدل حل و شعاع آغشته نشده در توده الیاف و درجه آغشتگی محاسبه شده است.

نانوکامپوزیت هایی بر پایه آمیخته (60/40) PA6/ABS در حضور 3 قسمت وزنی سازگارکننده POE-gr-MA و حاوی 2، 5 و 8 درصد وزنی نانوذرات کلسیم کربنات (15-10 نانومتر) با استفاده از اکسترودر دوپیچی و دستگاه قالب گیری تزریق پلاستیک تولید شد. شکل شناسی و خواص ضربه ای نمونه های مختلف مورد بررسی قرار گرفت. وجود نانوذرات کلسیم کربنات پوشش داده شده باعث تغییر در ریزساختار و افزایش اندازه ذرات ABS در زمینه PA6 شد. این نتیجه به ماهیت غیرقطبی ABS و نانوذرات کلسیم کربنات پوشش داده شده و همچنین اندازه بسیار ریز نانوذرات نسبت داده شد. به کارگیری نانوذرات کلسیم کربنات در آمیخته PA6/ABS به طور قابل ملاحظه ای بر خواص ضربه ای اثر گذاشت. نتایج آزمایشات تجربی نشان داد، مقاومت ضربه ای شکاف دار در نمونه های محتوی 2 درصد وزنی نانوذرات، بیش از 160 درصد نسبت به آمیخته پلیمری PA6/ABS افزایش یافت. در نمونه های ضربه بدون شکاف، در حضور 2 و 5 درصد وزنی نانوذرات، به دلیل انعطاف پذیری زیاد نمونه ها، شکستی رخ نداد.

در این مقاله به بررسی خواص خوردگی، ساختار و مورفولوژی پوشش های پلیمری ایجاد شده به کمک دستگاه پاشش الکترواستاتیک پرداخته شده است. به این منظور نانوذرات رس به میزان 5% وزنی درون زمینه پلیمر پلی استری به کمک روش های متوالی و مختلف اختلاط به خوبی پراکنده شده و سپس پودر نانوکامپوزیتی تهیه شده به کمک روش پاشش الکترواستاتیک روی سطح قطعات فولاد ساده کربنی پوشش داده شده و با پوشش های پلی استری خالص مقایسه شدند. مورفولوژی و ساختار نانوذرات رس توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری بررسی شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری مربوط به نانوذرات رس نشان دهنده صفحات لایه لایه رس می باشد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی پوشش ها نشان می دهد که با افزودن نانوذرات رس، میزان حفرات پوشش های نانوکامپوزیتی نسبت به پوشش های خالص کاهش یافته است. همچنین با استفاده از آزمون های غوطه وری و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی، خواص خوردگی پوشش ها بررسی شد. نتایج آزمون های خوردگی نشان می دهند که مقاومت به خوردگی پوشش نانوکامپوزیتی در اثر افزودن نانوذرات رس افزایش یافته است.

در این مقاله رفتار الکترومکانیک سیلندر دوار پیزوالکتریک با خواص ماده تابعی واقع شده در میدان مغناطیسی و حرارتی بررسی شده است. در این بررسی تمام خصوصیات مکانیکی، مغناطیسی، الکتریکی و حرارتی ماده پیزوالکتریک بصورت تابع توانی که در راستای شعاع تغییر می کند، در نظر گرفته شده است. با استفاده از معادله انتقال حرارت در یک بعد و با در نظرگرفتن شرط متقارن بودن سیلندر، می توان تغییرات دما در حالت پایا را بدست آورد. با بهره گیری از معادلات الکترودینامیکی ماکسول و در نظر گرفتن میدان مغناطیسی اولیه هم راستا با محور سیلندر، نیروی ناشی از آن برای حالت ناهمگن بدست می آید. با استفاده از معادلات توزیع دما در جداره سیلندر تحت شرایط مرزی در نظر گرفته شده و به کارگیری از روابط تعادل الکترومکانیک و با بدست آوردن نیروی ناشی از میدان مغناطیسی، معادله دیفرانسیل غیرهمگنی استخراج می شود که با روش تحلیلی حل شده است. همچنین در این مطالعه تحلیل ترمومکانیک یک سیلندر پیزوالکتریک با خواص تابعی نیز با استفاده از نرم افزار المان محدود انسیس (ANSYS) انجام شده است. با بهره گیری از روش تحلیلی و عددی و با ارائه مثال های عددی، تاثیر پارامتر مختلف از جمله شدت میدان مغناطیس و حرارت و ضریب ناهمگنی بر رفتار تنش و کرنش، توزیع پتانسیل الکتریکی و جابجایی شعاعی سیلندر بررسی شده است. به منظور بررسی صحت نتایج حاصل شده، نتایج مطالعات گذشته در زمینه سیلندر با مواد مدرج تابعی مقایسه شده اند.

در چند دهه اخیر، تولید مواد هوشمند منجر به ایجاد سازه های برتر با خواص ممتاز شده است. از جمله این مواد می توان به آلیاژهای حافظه دار، که قابلیت بازیابی کرنش های پلاستیک بزرگ در اثر اعمال تنش یا حرارت را دارند، اشاره نمود. توسعه عملگرهای آلیاژ حافظه دار به شکل های سیم و استنت در حوزه های مهندسی و سازه های هوشمند بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا، مدل تحلیلی برای تیر کامپوزیتی با الیافی از جنس آلیاژ حافظه دار که روی بستر الاستیک پاسترناک قرار گرفته، ارائه شده است. تیر کامپوزیتی دارای تکیه گاه ساده در دو طرف بوده و الیاف حافظه دار با پیش- کرنش فشاری در لایه میانی تیر قرار گرفته اند. معادله های دیفرانسیل حاکم بر تیر های اولر- برنولی، رایلی، برشی و تیموشنکو با استفاده از اصل همیلتون استخراج شده اند. با اعمال حرارت، عملیات بازیابی کرنش، نیروی کششی در راستای طول تیر اعمال و این نیرو منجر به ایجاد نیروی فشاری در تکیه گاه ها می شود. نیروی ایجاد شده با استفاده از رابطه تغییر فاز مارتنزیتی مدل شده است. با بی بعدسازی معادله های دیفرانسیل حاکم، روابط تحلیلی برای ارزیابی پاسخ دقیق فرکانس طبیعی تیر ارائه شده است. اعتبار نتایج از طریق مقایسه موردی با تحلیل های مشابه مورد صحت سنجی قرار گرفته است. بر اساس تحلیل های انجام شده، تاثیر ضرایب بستر الاستیک پاسترناک، تعداد الیاف حافظه دار، نسبت ضخامت به طول تیر، حد کرنش قابل بازیابی و نسبت طول به پهنای تیر روی فرکانس طبیعی در دمای بالاتر از دمای پایان آستنیت بر اساس نظریه های مختلف مهندسی تیر تعیین و ارائه شده است.

تولید کامپوزیت فلزی های منیزیم- آلومینیم، به منظور کاهش وزن قطعات صنعتی و افزایش بازده مصرف سوخت، در سال های اخیر مورد توجه صنعت حمل و نقل قرار گرفته است. در این تحقیق منیزیم در دمای 700 درجه سلسیوس و نسبت حجمی مذاب- جامد 1.5 (Vm/Vs) داخل استوانه توخالی آلومینیمی، پیش گرم شده در دماهای مختلف شامل 320، 400 و 450 درجه سلسیوس و سرعت دوران 1600 دور بر دقیقه، درون یک دستگاه گریز از مرکز عمودی ریخته گری شد. اثر شرایط سرد کردن و همچنین تداوم نگهداری نمونه ها در داخل دستگاه، تحت نیروی گریز از مرکز تا انجماد کامل، بررسی شد. تغییرات دمای پیش گرم جامد، از 320 تا 450 درجه سلسیوس، منجر به افزایش لایه واکنشی و تغییرات فازی شد. نتایج حاصل از آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به طیف سنج پراش انرژی پرتو ایکس نشان داد که ترکیبات بین فلزی Al3Mg2 و Al12Mg17، ساختار یوتکتیک و همچنین محلول جامد منیزیم- آلومینیم در فصل مشترک تشکیل می شود. نگه داشتن نمونه در دستگاه، تا سرد شدن و رسیدن به محدوده دمایی 150 درجه سلسیوس، از بروز ترک های انقباضی و نهایتا جداشدن دو فلز جلوگیری می کند.

مدل میکرومکانیکی برای تحلیل شکست مواد مرکب تقویت شده با الیاف تک جهته در بارگذاری عرضی ارائه می شود که علاوه بر مدل سازی رفتار غیرخطی زمینه در اثر بارگذاری بیش از حد تسلیم آن، قابلیت مدل سازی عیوب ناشی از جدایش بین زمینه و الیاف و ترک های زمینه را دارد. میکروساختار مواد مرکب با استفاده از سلول های واحد و با فرض متناوب بودن میکروساختار توصیف می شود که در آن الیاف به صورت منظم یا غیرمنظم توزیع شده است. مدل میکرومکانیک برای تعیین استحکام عرضی مواد مرکب با زمینه آلومینیوم و الیاف کربن استفاده می شود که الیاف با توجه به صلبیت بالای آن ها با مدل الاستیک خطی همسانگرد و زمینه با مدل الاستیک- پلاستیک همسانگرد توصیف می شود. معیار پیدایش عیوب در زمینه بر اساس معیار حداکثر کرنش اصلی و با توجه به میزان کرنش نهایی ماده زمینه توصیف می شود که افزایش تنش اعمالی پس از پیدایش عیب منجر به کاهش سفتی ماده و در نهایت ایجاد ترک در ماده زمینه می شود. اتصال بین زمینه با استفاده از مدل چسبناکی توصیف و پیدایش عیوب در آن با توجه به میزان استحکام محوری و برشی اتصال تعیین می شود. مدل میکرومکانیک برای مطالعه اثر توزیع هندسی الیاف در میکروساختار، درصد حجمی الیاف، اثر استحکام اتصال بین زمینه و الیاف استفاده شده و نواحی ایجاد عیوب و نحوه گسترش آن ها، علاوه بر نمودارهای تنش- کرنش در ماده مرکب تعیین می شود.